电气化铁路贯通同相供电AT牵引网故障辨识与自愈技术研究

李群湛，王 帅，易 东，陈民武

(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031)

为综合解决电气化铁路电能质量与电分相问题，文献[1]率先提出同相供电概念。文献[2]提出了一种基于三相交流-直流-单相交流全变换方式的牵引网贯通同相供电方案。文献[3]提出了新一代牵引供电系统及其关键技术，采用组合式同相供电技术治理电能质量，同时取消变电所出口处电分相，采用双边供电技术取消分区所出口处电分相，同一电力系统供电的牵引变电所可以实现贯通同相供电。随着电力电子器件的发展，同相供电技术先后在成昆线眉山牵引变电所和山西中南通道沙峪牵引变电所完成现场试验，并在温州市域铁路S1线实现商业运营。基于树形双边供电技术的贯通同相供电系统即将在包神铁路投入工程实践，青藏、川藏高原电气化铁路相继将贯通同相供电技术纳入设计规划。目前，贯通同相供电设备及关键技术已经进入成熟的工程推广阶段[4-6]。

AT牵引网供电距离长、电压损失低且可以有效降低钢轨电位和对沿线通信线路的干扰[7-9]，是大容量贯通供电的优选方式[5]。然而，AT牵引网结构复杂且无备用，工作条件恶劣，牵引网故障成为了导致牵引供电系统供电中断的主要原因[10]。

现行AT牵引网发生故障后，牵引变电所馈线保护动作，牵引变电所馈线断路器统一跳闸，整个上下行供电系统中断供电，同时AT所与分区所配置的失压保护启动，将AT供电方式解列为直供方式，再利用重合闸排除故障，期间需要复杂的倒闸作业[11]，极大延长了停电时间。若牵引网上行或下行发生永久性故障，将造上行或下行全线失电，扩大了牵引网的停电范围[12]。目前我国将距离保护方案作为AT牵引网主保护，变电所测量阻抗与故障距离成非线性关系，仅依靠测量阻抗不能判断故障AT分段[13-14]。AT牵引网故障包含多种短路类型，距离保护也缺乏故障类型辨识能力[13]。AT吸上电流比与横联线电流比等故障标定方法，主要应用于测距系统，并不作为保护动作依据[15]。

贯通同相供电技术通过延长供电区间长度，可以有效解决川藏、青藏等西部地区电气化铁路供电系统面临的外部电源薄弱、长大坡道不宜设置电分相等难题[16-18]，但继续延续传统AT牵引网结构和保护方案[19-20]，将会进一步扩大牵引网故障状态下的停电范围，延长铁路交通恢复时间，对经济、社会造成严重的负面影响。

因此，提出一种适合贯通同相供电系统的AT牵引网结构，实现牵引网分段供电，构建牵引网分段内故障导线辨识方法与自愈流程，减少故障停电范围，发挥AT牵引网分段供电结构优势，对于提高贯通同相供电系统可靠性具有工程意义。

1 贯通供电方式AT牵引网分段供电方案

同一电力系统供电的牵引变电所可以实现贯通同相供电，为尽可能将故障及其影响范围限制到最小，根据线路实际条件，通过绝缘锚段关节或分段绝缘器对牵引网进行分段。

如图1所示，通过设置分段FD+过渡区TA的单元结构，将AT牵引网分段为多个供电单元。我国AT段长度约10～15 km，日韩及法国的AT段长度较长，约10～20 km[15]，可利用线路的自然AT分段，在沿线牵引变电所，AT所出口设置分段结构S，实现牵引网供电单元适当划小，分段可设置为10～20 km。为确保过渡区控制可靠性，过渡区设置长度大于100 m。

图1 贯通供电方式AT牵引网分段供电方案

为满足AT牵引网分段状态测控需求，基于智能变电站“三层两网”架构，在变电所与AT所内设置智能测控装置，馈线电流互感器与母线电压互感器的电气采样信息通过合并单元传送至智能测控装置，实现牵引网接触线和负馈线线电压、电流电气量采集与存储。此外，智能测控装置能够采集反映馈线断路器的状态开关量，可以在故障发生时向本地断路器发送动作信号，并具备对远方断路器的联跳功能，支持牵引网故障治愈控制。智能测控装置通过IEC 61850通信协议实现SV/GOOSE的数据交互，均与卫星时钟同步，所间通信采用光纤冗余组网方式，为智能测控装置提供可靠通信，保障所间电气信息共享。测控终端完成故障信息汇总后，与远方调度控制中心通信和实施调度控制中心下达的控制指令。

2 牵引网故障自愈流程

牵引网存在不同类型的短路故障，包括T-R、F-R、T-F三种故障类型[21-22]。本文以分段FD1和过渡区TA1组成的供电单元为例，描述贯通供电AT牵引网故障自愈流程。

2.1 分段FD1短路故障自愈流程

2.1.1 分段FD1发生T-R短路故障

当FD1发生T-R故障时，断路器QF1与QF2同时跳闸，同时过渡区TA1进入跳闸等待状态，根据过渡区的不同运行状态，断路器QF3有两种不同的操作过程。在发生故障后的时间T内，测控系统持续检测过渡区TA1是否存在负荷电流。当过渡区存在负荷电流，QF3跳闸；当过渡区没有检测到负荷电流，QF3继续保持跳闸等待状态。经重合闸时限，QF1与QF2启动自动重合闸。若重合闸成功，过渡区TA1恢复正常运行，系统恢复正常供电。若QF1与QF2重合闸失败，则QF1与QF2加速跳闸，并且闭锁重合闸。测控系统将故障信息通知行车调度，行车调度调整列车行车计划，并通知相关列车，列车做出相应的避险操作，接触网工区组织抢修，抢修完成后，恢复系统正常供电。

以京沪高速铁路为例，列车保持4 min追踪间隔，当故障发生后，测控系统向行车调度发送牵引网故障信息，再由行车调度告知相关列车前方故障，最终列车完成避险，整个过程总时长小于4 min，可避免后方机车连续进入故障区段。因此，可将过渡区TA1跳闸等待时间T设置为4 min，若列车到达过渡区TA1的时间在T内，列车进入过渡区TA1后，过渡区失电，列车换流器闭锁，避免了列车从正常区段驶入故障区段造成的二次短路与列车带负荷进入无电区。若列车到达过渡TA1的时间大于T，列车可以完成避险操作，列车不会带电进入故障分段，行车调度通知测控系统，取消跳闸等待状态，牵引网T-R故障自愈流程见图2。

图2 分段FD1发生T-R短路故障自愈流程

2.1.2 分段FD1发生F-R短路故障

当分段FD1发生F-R短路故障，断路器QF7与QF8跳闸，将FD1的负馈线切除。经重合闸时限，QF7与QF8自动重合，若重合闸成功则系统恢复供电。若重合闸失败，QF7与QF8加速跳闸，并且闭锁重合闸，故障分段牵引网以直供方式运行。测控终端将故障信息报告行车调度，行车调度视情况安排行车计划与组织故障维修，排除故障后恢复正常供电，其自愈流程见图3。

图3 分段FD1发生F-R短路故障自愈流程

2.1.3 分段FD1发生T-F故障

当FD1发生T-F故障时，故障自愈流程与T-R故障自愈流程类似，断路器QF1、QF2、QF7、QF8同时跳闸，同时过渡区TA1进入跳闸等待状态。经重合闸时限，QF1、QF2、QF7、QF8启动自动重合闸。若QF1、QF2重合闸成功，命令断路器QF3合闸或取消等待状态；若QF1、QF2、QF7、QF8同时重合闸成功，则系统恢复正常供电；若重合闸失败，测控系统与行车调度配合，组织抢修，尽快恢复正常供电。

2.2 过渡区TA1短路故障自愈流程

2.2.1 过渡区TA1发生T-R短路故障

当过渡区TA1发生T-R故障，QF3跳闸，将过渡区TA1切除，联跳分段FD2的接触线两侧断路器QF4和QF5，同时过渡区TA2进入跳闸等待状态。经重合闸时限后，断路器QF3重合闸，若重合闸成功，过渡区TA1恢复正常供电，分段FD2接触线经重合闸后投入运行，过渡区TA2取消跳闸等待状态。若QF3重合闸失败，测控系统与行车调度配合，组织抢修，尽快恢复正常供电，其自愈流程见图4。

图4 过渡区TA发生T-R短路故障自愈流程

2.2.2 过渡区TA1发生T-F短路故障

过渡区接触线故障自愈流程与过渡区T-R短路故障自愈流程相同，负馈线故障自愈流程与分段FD1的F-R短路故障自愈流程相同。

3 AT牵引网故障辨识方法

3.1 分段故障辨识方法

3.1.1 低过渡电阻故障辨识方法

牵引网分段i与过渡区n的电气量分布见图5，当牵引供电系统正常运行时，接触线电压Ui1与Ui2维持在19～29 kV[23-24]。若牵引网发生金属性故障，接触线电压将会快速跌落至17 kV以下[25]，见图6。当受电弓处网压低至17.5 kV时，列车功率发挥百分比降为零，即车载变流器闭锁，列车停止取流，此时牵引网仅存在故障电流。

图5 牵引网分段与过渡区电气量分布

图6 机车网压与功率限制曲线

依据牵引网故障后列车与牵引网电气特性，结合多端电气量，提出了基于低电压启动的故障辨识方法。牵引网故障启动判据为

|Ui1|

(1)

式中：Ui1、Ui2为分段i接触线首端、末端电压；Uset为低电压启动整定值。

接触线故障辨识判据为

(2)

负馈线故障辨识判据为

( 3 )

式中：Ii1、Ii2为分段i接触线首端、末端电流；Ii3、Ii4为分段i负馈线首端、末端电流；Iset为电流整定值，k1为制动系数。

3.1.2 高过渡电阻故障辨识方法

当牵引网发生高阻故障时，接触网电压可能保持在17.5 kV以上，但短路电流急剧增大，故障电流增量超过列车电流增量，基于实测数据的机车电流与短路电流增量对比见图7。当牵引网分段正常运行时，接触线电流的增量不会超过1辆车启动电流[22]。利用故障与列车电流增量特点，可增设故障辨识条件，提高牵引网高阻故障辨识能力。

图7 机车电流与故障电流特性

接触线故障启动判据为

|ΔIi1+ΔIi2|>ΔIc

( 4 )

式中：ΔIi1、ΔIi2为分段i接触线首端、末端电流增量；ΔIc为电流增量整定值，以列车启动电流作为整定依据。

为避免动车组出现打滑,高频开关器件短时关闭,列车由正常运行突然转为紧急再生制动等非正常运行工况时[26-27]，接触线电流必须保持一定时间内不跌落，接触线故障辨识判据为

( 5 )

式中：t为故障短路时刻；T为时间整定值。

负馈线故障辨识判据与式( 3 )相同，负馈线故障启动判据为

|ΔIi3+ΔIi4|>ΔIf

( 6 )

式中：ΔIi3、ΔIi4为分段i负馈线首端、末端电流增量；k2为可靠性系数；ΔIf为电流增量整定值，负馈线无受电弓滑动取流，可不考虑列车启动电流，以躲过不平衡电流为整定依据。

当负馈线电流满足辨识判据式( 3 )时，若接触线与负馈线差动电流相等，则接触线与负馈线间存在短路故障，接触线故障辨识判据为

( 7 )

式中：Icf为电流整定值，以躲过不平衡电流为整定依据。

3.2 过渡区故障辨识方法

过渡区的接触线设置较短且为单馈线供电，以低电压或增量电流启动的过流判据作为故障辨识方法，为

( 8 )

式中：In为过渡区n的馈线电流；Imax为机车最大负荷电流。

当牵引网发生故障后，仅接触线辨识判据动作，则线路发生T-R故障；若负馈线与接触线故障辨识判据动作，则判定线路发生T-F故障；仅负馈线故障辨识判据动作，则测控系统判定线路发生F-R故障。

3.3 过渡区列车辨识方法

当过渡区处于跳闸等待状态时，若测控系统检测到列车进入过渡区，过渡区将被切除，列车辨识判据为

|In|>Iε

( 9 )

式中：Iε为电流整定值，躲过无车运行时电流互感器测量误差。

AT牵引网结构复杂，故障类型多样，通过研究机车与牵引网的运行特性，提出多判据混合的故障辨识及列车辨识方法，其中增量电流被应用于高过渡电阻故障辨识，但其判别窗口只存在于故障发生的时刻，而低电压启动与电流差动可以持续对故障进行识别，直至故障完全消除，低/高过渡电阻故障辨识方法构成完备的贯通同相供电系统AT牵引网主保护方案。结合牵引网故障自愈流程，为AT分段和过渡区提供了可靠的整套重合闸方案，满足了贯通同相供电方式下牵引网与机车的安全稳定运行。

4 仿真验证

为验证AT牵引网辨识方法和自愈流程的正确性，在Matlab/Simulink软件上搭建了AT牵引网分段保护与状态测控系统，供电拓扑见图1，具体AT牵引网参数见表1、表2，智能测控装置由自行构建设计实现。本文在AT牵引网的不同位置仿真了各类短路故障，详细故障工况见表3。

表1 AT牵引网导线参数

表2 AT牵引网分段参数

表3 牵引网故障工况

4.1 故障工况1

FD1分段T-F故障辨识与断路器状态见图8。0.1 s时刻FD1发生故障，接触线首末端电压迅速跌落至17.5 kV以下，故障辨识启动，FD1内接触线、负馈线制动和差动电流满足故障动作条件，测控系统判定线路发生T-F故障。测控系统下发断路器动作命令，0.21 s时刻，分段FD1首末断路器分闸，FD1成功被切除。经时延后FD1重合闸，分段两端电气量仍满足动作条件，断路器再次跳闸，故障分段被再次切除。在0.31 s时刻，检测到过渡区存在列车取流，过渡区TA1跳闸，列车失电，保障列车不带电进入故障分段。

图8 FD1分段T-F故障辨识与断路器状态

4.2 故障工况2

FD1分段T-R故障辨识与断路器状态见图9。如0.1 s时刻FD1发生故障，首末端电压仍保持在正常范围内，但分段内接触线差动电流增量越过整定值，且接触线差动电流0.5 s内未发生跌落，测控系统判定分段发生T-R故障，接触线两端断路器动作，分段FD1接触线被切除。经时延后断路器重合闸，但接触线差动电流增量再次超过阈值，断路器再次跳闸，故障接触线被成功切除。故障发生后，过渡区没有检测到列车取流，保持跳闸等待状态。

图9 FD1分段T-R故障辨识与断路器状态

4.3 故障工况3

FD2分段F-R故障辨识与断路器状态见图10。FD2分段存在列车，0.1 s时刻FD2发生故障，分段首末端电压仍保持在正常范围内，仅负馈线故障辨识判据得到满足，测控系统判定分段发生F-R故障，同时下发断路器动作命令，在0.25 s时刻负馈线被切除。经时延后断路器重合闸，由于故障为瞬时性故障，负馈线重合闸成功。

图10 FD2分段F-R故障辨识与断路器状态

4.4 故障工况4

FD3分段T-F故障辨识与断路器状态见图11。0.1 s时刻FD3发生故障，分段首末端电压仍保持在正常范围内，负馈线与接触线故障辨识判据都得到满足，测控系统判定分段发生T-F故障，同时下发断路器动作命令，在0.25 s时刻故障分段FD3被切除。经时延后断路器重合闸，由于故障为瞬时性故障，负馈线重合闸成功。

图11 FD3分段T-F故障辨识与断路器状态

4.5 故障工况5

TA1过渡区T-R故障辨识与断路器状态见图12。FD2分段存在列车，0.1 s时刻TA1发生故障，过渡区TA1电流越过辨识阈值，且相邻分段FD1与FD2负馈线电流未达到动作条件，测控系统判定过渡区发生T-R故障。测控系统下发断路器动作命令，过渡区TA1与分段FD2被切除。经延时后过渡区TA1断路器重合闸，但过渡区电流再次超出阈值，过渡区重合闸失败，故障过渡区被再次切除。

图12 TA1过渡区T-R故障辨识与断路器状态

4.6 故障工况6

TA2过渡区T-F故障辨识与断路器状态见图13。如图13所示，0.1 s时刻TA2发生故障，过渡区TA2电压电流越过辨识阈值，且分段FD3负馈线电流达到动作条件，测控系统判定分段发生T-F故障。测控系统下发断路器动作命令，切除过渡区TA1与分段FD3负馈线，并联跳分段FD3接触线。经时延后断路器重合闸，由于故障为瞬时性故障，负馈线重合闸成功。

图13 TA2过渡区T-F故障辨识与断路器状态

5 结论

随着贯通同相供电技术的稳步推广与工程应用，电气化铁路对牵引网故障正确辨识与可靠自愈提出了更高要求。

本文基于同相贯通供电系统结构特征，提出一种新型的AT牵引网分段供电方案，以AT分段和过渡区作为供电单元，实现了网格化供电结构；基于牵引网分段供电拓扑，分析了不同故障工况下各断路器理想动作情况，构建了最小停电区间的故障自愈流程；针对贯通供电系统复杂故障工况，基于列车和牵引网电气耦合特征，给出多判据混合的故障辨识方法，实现牵引网故障分段和故障类型的快速辨识，为故障自愈重组提供了可靠的理论依据。通过Matlab/Simulink仿真，验证了该方法的准确性和对各种故障场景的可靠性。

本文提出的新型牵引网分段供电方案，最小停电区间的故障自愈流程与正确的故障区段与故障类型辨识方法，可以有效提高贯通供电系统的可靠性和灵活性，为青藏与川藏电气化铁路建设提供了参考。